• ALD-催化

  •    催化剂是一种有效改变反应物反应速率而不改变化学平衡,且本身的质量和化学性质在化学反应前后都没有发生改变的物质。因其能加速或减缓反应,及高度选择性等特点,在化工、生化、能源、环保等领域得广泛应用。然而,由于催化剂尺寸、位置、组成及微环境难以控制,导致制备条件较为苛刻,且在实际使用过程中,催化剂因长期受热、过酸、过碱、化学反应而发生一些不可逆的物理、化学变化,最终导致失活,严重限制了催化剂的推广应用。为此,有必要进一步研发高效、稳定型催化剂,而原子级精确合成是设计先进高性能催化剂的关键。


       ALD技术很容易地控制纳米颗粒的大小、孔隙结构、含量和分散,有效设计出核壳结构、氧化物/金属倒载结构、氧化物限域结构、具有多金属管套结构和多层结构,且独特的自限制特性可实现催化材料在高比表面材料上的均匀和可控沉积,实现一步步和“自底向上”的方式在原子层面上构建复杂结构的异质催化剂材料而得到广泛研究。利用ALD技术具有饱和自限制的表面反应特性,有效抑制金属有机化合物、配体的空间位置效应,天然的将金属中心原子互相隔离开,抑制金属原子聚集,合成单原子催化剂。利用ALD技术有效调控金属与载体间的相互作用的特性,可获得单金属催化剂,如Ru、Pt、Pd等贵金属。利用ALD技术能调控两种金属元素生长顺序、循环周期数的特性来精准得到双金属纳米催化剂,合成原子级精准的超细金属团簇,如PtPd、PtRu、PdRu等双金属纳米颗粒。利用ALD技术制备金属氧化物,不仅可以制备性能更加优良的多相催化剂,而且可以对负载型催化剂进行改性,达到修饰、保护催化剂的目的。另外,研究表明金属氧化物包覆在金属纳米颗粒上时,会形成新的金属-氧化物界面,可进一步改变金属纳米颗粒的电子性能和形貌,进一步提升催化剂催化性能,且物理包覆层还可以提高纳米颗粒的稳定性,在恶劣的反应条件下防止金属组分的烧结和浸出。除金属单质、金属氧化物外,ALD技术制备得到的过度金属硫化物由于特殊的能带结构、电学及光学特性,可作为贵金属的替代品,在催化领域具有较大的发展前景。

  • 图2:原子层沉积硫化钴/氮化钴复合材料实现高效电催化水解[6]

    图3:多孔氮化钛载体上铂催化剂的原子层沉积制备及其催化[7]

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    图4:耦合原子层沉积技术实现Pt/CeCuOx催化界面原子级调控[8]

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    参考文献:

    [1] Monodispersed, Highly Interactive Facet (111)-Oriented Pd Nanograins by ALD onto Free-Standing and Flexible Electrospun Polymeric Nanofibrous Webs for Catlytic Application

    [2] Monolayer Control of Mixed-Oxide Support Composition in Catalysts via Atomic Layer Deposition Selective Hydrogenation of Cinnamaldehyde Promoted by (SiO2-ALD)-Pt&Al2O3

    [3] Atomic Layer Deposition (ALD) Co-Deposited Pt-Ru Binary and Pt skin catalysts for concentrated methanol oxidation

    [4] Textile-based high-performance hydrogen evolution of low-temperature atomic layer deposition of cobalt sulfide

    [5] Dandan Ma, Jian-Wen Shi, Yajun Zou, Zhaoyang Fan, Xin Ji, Chunming Niu, Lianzhou Wang, Nano Energy,Volume 39,2017,Pages 183-191.

    [6] Guo, Daying, Wang, Jiahui,Zhang, Lei,Chen, Xi'an,Wan, Zhixin,Xi, Bin, 2070194 TI- Overall Water Splitting: Strategic Atomic Layer Deposition and Electrospinning of Cobalt Sulfide/Nitride Composite as Efficient Bifunctional Electrocatalysts for Overall Water Splitting.

    [7] Xiaolong Tang,Shenghui Zhang,,Jing Yu,Chunxiao Lü,Yuqing Chi,Junwei Sun,Yu Song,Ding Yuan,Zhaoli Ma,Lixue Zhang.Preparation of Platinum Catalysts on Porous Titanium Nitride Supports by Atomic Layer Deposition and Their Catalytic Performance for Oxygen Reduction Reaction.

    [8] Liu, X., Jia, S., Yang, M. et al. Activation of subnanometric Pt on Cu-modified CeO2 via redox-coupled atomic layer deposition for CO oxidation. Nat Commun 11, 4240 (2020).

     

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